增强型与耗尽型GaN HEMT器件的设计与优化开题报告

1.1 GaN HEMT器件的研究背景

1960年，安德森（Anderson）提出假设在异质结界面存在有电子的积累；1969年，Easki和Tsu提出在不同的禁带宽度异质结结构中，离化的施主离子和自由电子是分离的，减少了母体对电子的库伦作用，提高了电子迁移率；1978年，Dingle在调制掺杂的异质材料中观察到了载离子迁移率增高的现象。随后在调制掺杂GaAs/n-AlGaAs单异质结结构的实验中，证明了异质界面存在着高电子迁移率的二维电子气；1980年，一种新调制掺杂GaAs/n-Al_xGa_1-xAs异质结构场效应晶体管，即高电子迁移率晶体管（HEMT）问世。第一代半导体材料以硅和锗为主，其中由硅材料制成的半导体器件有温度特性、电学特性能较好的特点，且材料本身资源丰富，因此价格便宜，成本低，工艺上也易于提纯和结晶，具有极高的商业价值。到了今天，硅基半导体已经成为制作电学器件的主要材料。但是随着科技的发展，传统的硅基功率器件已经满足不了市场的需求。于是就有了第二代半导体材料GaAs。但GaAs材料在具有比硅高6倍以上的电子迁移率以及在高频、高速、光电等领域有着优良的表现之外，也因为成本较高、污染严重，而限制了它的可用度，并且违背了当今节能环保的宗旨^[1]，因此GaAs材料也满足不了现在的科技需求。最后才出现了以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表的第三代半导体。

目前国内外已有多家公司对GaN HEMT器件进行研究，以加拿大的GaN Systems公司和美国的Transphorm公司为主。前者推出了高压单管增强型GaN HEMT， 后者推出了高压级联增强型 GaN HEMT。在国内，富士通公司在2013 年与Transphorm公司合作，也推出了自己的级联型 GaN HEMT；国外已有很多科研机构利用HEMT器件与MEMS结构结合设计并制造出一些灵敏度高、响应快速和输出稳定的力电转换传感器,可应用于各种极端的环境^[2]。

1.2 GaN HEMT器件的研究目的及意义

相比于前两代半导体材料，第三代半导体材料拥有宽禁带、高击穿电场、高电子饱和速率和优秀的抗辐射能力，并且在大功率电子器件方面有更大的应用潜力，适用于军用、民用领域里高温、高压、高频等多种复杂环境的设计。GaN就是一种极性较大的宽禁带半导体。这种大极性异质结器件可以获得良好的电学性能，因为大的极性使得异质结中的2DEG浓度升高，同时迁移率又很高。所以目前所能够获得的功率性能最佳的场效应晶体管也就是AlGaN/GaN HEMT。GaN基器件主要集中在中低压（200~1200V）范围，如高性能服务器、基站开关电源等。宽带隙可以提供可靠的技术，能够实现高温高压操作，如电力高压整流器和电源转换器。在射频和微波应用领域，由于GaN材料中AlGaN/GaN等异质结界面存在高密度的二维电子气，电子被束缚在很狭小的区域里，二维电子气层不存在杂质的散射，使二维电子气具有非常高的单向迁移率（氮化镓高电子迁移率晶体管的结构如图1.2），

1.2 氮化镓高电子迁移率晶体管的结构

这些优点使GaN器件在该领域有更广阔的前景。依据高迁移率、高耐压特点设计的AlGaN/GaN异质结HEMT（HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管）器件，具有电流密度大、导通电阻低、功率密度大等优点，在高频、高功率的功率微波领域发挥了很大的优势。目前GaN异质结HEMT器件已开始用于军用雷达、高性能空间电子设备和通信系统等方面^[3]。

2.1研究内容

本课题主要研究增强型与耗尽型GaN HEMT器件的基本工作原理，电学参数。

GaN HEMT中AlGaN和GaN两层材料的界面由于晶体极性，形成了一层叫做“二维电子气（2DEG）”的高迁移率电子，使得器件的源极和漏极之间形成天然的沟道，因此常规的GaN HEMT具有固定的常开特性，即耗尽型（D型）。

但在实际的电路中，耗尽型器件通常需要一个负压电源来关闭，这增大了电路的误开风险，也会增加电路的功耗。所以，增强型GaN HEMT器件更适用于电力电子电路的设计，这也是当前需要解决的一个难点。对AlGaN/GaN HEMT器件，需要采用各种技术方法耗尽其中的二维电子气，使器件在不加偏置时处于关闭状态。

实现增强型GaH HEMT器件的方法有很多，凹栅结构、氟离子注入技术、ｐ型盖帽层技术和Ｃascoad结构等,这些方法也各有优劣^[21]。

2.2预期目标

通过测试对比增强型与耗尽型器件的电学参数，包括器件的转移特性、输出特性和击穿特性等，总结出目前实现增强型器件的主要问题。然后再研究不同增强型实现方式对器件性能影响的差异，为实现低漏电、高击穿的GaN HEMT器件奠定基础。

可以选取不同规格的GaN HEMT器件，采用控制变量法来测试，从而找出影响器件电学参数的因素。

3.1测试方法

先分别测试耗尽型和增强型GaN HEMT器件，找出两种器件的区别；再对不同增强型GaN HEMT器件进行依次测试，并记录。

3.2测试途径

可以通过电容－电压测试（Ｃ－V测试），肖特基二极管的空间电荷区宽度和电荷数量随肖特基结上的外加电压变化而随之相应变化，即肖特基势垒电容Ｃ与外加电压V相关。电容－电压测试法即利用金属－半导体构成的肖特基势垒在反向偏压时的电容特性来测量肖特基势垒半导体一侧的载流子浓度及其分布^[22]。如测试温度对器GaN HEMT器件性能的影响，可利用温箱。随着温度的升高，观察转移特性和输出特性曲线^[23]。

3.3实验结果总结

通过测试，对耗尽型和不同增强型的GaN HEMT器件的性能进行总结，找出各器件之间的性能差异，并推断如何实现低漏电、高击穿GaN HEMT器件。

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（1）2021.1.10-2021.3.01文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；

（2）2021.3.01-2021.4.15实验系统研究HEMT器件的电学性能，测试相关电学参数；

（3）2021.4.16-2021.4.30总结并整理实验数据，进行优化实验；

（4）2021.5.01-2021.5.20总结资料并撰写论文；

（5）2021.5.21-2021.6.15论文修改，答辩。